DE2306398B1

DE2306398B1 - Verfahren zur Behandlung von schmelzflüssigen Nichteisenmetallen, insbesondere Kupfer, durch Aufblasen von Reaktionsgasen

Info

Publication number: DE2306398B1
Application number: DE2306398A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Prof. Dr.-Ing. 1000 Berlin Wuth
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-02-09
Filing date: 1973-02-09
Publication date: 1975-03-06
Also published as: YU39650B; BE810577A; YU32874A; RO67583A; PL90781B1; JPS49112824A; GB1457175A; DE2306398A1; JPS5725623B2; HU167695B; ZM1174A1; DE2306398C2; US3902895A

Description

strahl zu Blasstirahl etwa dem 2- bis 5fachen, vor- Dies geschieht gemäß der Erfindung dadurch, daß

zugsweise dem 3fachen des Blaseindruckdurch- die Reaktionsgase mit so großer Strahikraft aufge-

roessers angeordnet werden. 30 blasen werden, daß die um den im Staupunkt des

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch Strahls befindlichen Blaseindruck im wesentlichen gekennzeichnet, daß die Strahlkraft und der Ab- torusartig rotierend« Schichtenströmung der Schmelze stand der Düsenmünduiiig von der Badoberfläche zusammen mit dem Gasstrahl eine durch die konje nach Art der verwendeten Reaktionsgase so vektiven Verhältnisse des Systems begrenzte Reakeingestellt werden, daß das Metallbad an der Ein- 35 tionseinheit mit defininiertem Stoffübergang ergibt, druckstelle gerade nicht spritzt. deren Abmessungen im Bereich des Schmelzbades

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 ocjer 3, da- senkrecht zur Strahlrichtung etwa 2 bis 5, vorzugsdurch gekennzeichnet, daß angepaßte Laval- weise 3 Blaseindruckdurchmesser und die Badtiefe Düsen verwendet werden, wobei die Spritzgrenze etwa die Hälfte des Schmelzbaddurchmessers, vordes Metalls erst bei höheren Gasdrücken erreicht 40 zugsweise 1,5 Blaseindruckdurchmesser betragen,
wird und größere Gasmengen aufgeblasen werden. Dabei bilden das Strömungsfeld eines aufgeblasenen Gasstrahls und das nachfolgend näher beschriebene Strömungsfeld der darunter torusartig rotieren-

den Schmelze zusammen ein Reaktionssystem, das

45 vorteilhaft sowohl iim Bereich der Gasphase als auch im Bereich der flüssigen Phase hohe Stoffübergangs-

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtren- geschwindigkeiten gewährleistet, die zu kurzen Blas- »ung von in einem flüssigen Bad eines Nichteisen- zeiten führen. Im Gegensatz zu den Gasaustrittsmetalls, insbesondere in Kupfer gelösten Begleit- geschwindigkeiten der in der Metallurgie bei ver-•lementen durch deren Reaktionen zu jeweils in flüs- 50 schiedenen Verfahren bereits in Anwendung befind-•igem Metall unlöslichen Verbindungen durch in etwa liehen aufblasenden Gasbrennern arbeitet das erfinlenkrechtes Aufblasen von Reaktionsgasen über dungsgemäße Verfahren mit Werten, die um mehr Wenigstens einen durch eine Düse gebündelten Gas- als den Faktor 100 größer sind, damit die besonderen •trahl auf die im wesentlichen blanke Badoberfläche. Konvektionsbedingungen des beschriebenen Reak-

Die Abtrennung von in flüssigen Metallen, vor 55 tionssystems gewährleistet werden können. Ein solches lllem in Kupfer gelösten Begleitelementen, insbeson- Reaktionssystem wird im wesentlichen durch die mittlere von Begleitmetallen, mit Hilfe von Reaktions- einander in einem Kräftegleichgewicht stehenden beigasen wird bisher in der Weise durchgeführt, daß den Konvektionsströme des duich die Düse aufgebeispielsweise das flüssige, noch gelöste Begleitmetalle blasenen Gases und der unter und in einem bestimmenthaltende Metall einem Drehflammofen, einem 60 tem Bereich um die Auftreffstelle herum befindlichen Raffinationskessel oder einem stationären Herdofen Schmelze beschrieben. Der Konvektionsstrom der aufgegeben und auf eine Temperatur oberhalb des Schmelze ist eine Folge des Konvektionsstromes des Schmelzpunktes gehalten wird, während gleichzeitig Gasstrahles, der auch die gasförmigen Reaktionsteilauf oder in das Metallbad Reaktionsgase, in erster nehmer heran, bzw. forttransportiert. An der AufLinie Luft oder mit Sauerstoff angereicherte Luft ge- 65 treffstelle eines jeden Strahles entsteht auf der Badblasen wird. Ein wesentlicher Nachteil dieses Verfah- oberfläche ein Blaseindruck von bestimmter Tiefe, rens ist darin zu sehen, daß sich relativ lange Blas- wodurch sich im wesentlichen ein Kräftegleichgewicht zeiten ergeben und daß sich insbesondere beim Ein- zwischen der Strahlkraft und der Aufkraft der Flüs-

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sigkeit ausbildet Die Reibung des im Staupunkt um- handelt es sich um die günstigste Einstellung. Bei gelenkten Strahles an deai Wänden dieses Biasein- größeren Werten verlängert sich die Reaktionszeit, drucks ruft in Zusammenwirkung mit den Wänden da sich infolge des größeren Badvolumens zwangdes Ofenraumes oder bei mehreren Gasstrahlen mit läufig der Konzentrationsausgleich innerhalb des der Begrenzungslinie des angrenzenden Reaktions- 5 Bades verlängert Dies ist jedoch bei großtechnischen systems eine am Blaseindruck nach oben, an der Anlagen durchaus noch wirtschaftlich, so daß auch Badoberfläche vom Eindruck weg und an der Ofen- größere Werte noch im Rahmen der Erfindung

wand, bzw. an der Systembegrenzungslinie nach liegen.

unten gerichtete, in bezug auf den Blaseindruck also Um das Verspri^n der Schmelze zu verhindern,

im wesentlicbiin torusartig rotierende Strömung her- 10 darf eine bestimmte Tiefe des Blaseindrucks nicht

vor. Auf diese Weise gelangt ständig aus der Bad- überschritten werden. Da die Blaseindrucktiefe so-

tiefe frische Schmelze an die Badoberfläche, wo sie wohl durch zunehmende Strahlkraft als auch durch

mit den Reaktionsgasen reagieren kann. abnehmenden Abstand zwischen Düsenmündung und

Bekanntlich ist es beispielsweise zur Entfernung Badoberfläche in bekannter Weise vergrößert wird, von Begleitelementen aus flüssigem Kupfer notwendig, 15 muß mit zunehmender Strahlkraft der Abstand verSauerstoff in die Schmelze hineinzubringen, und den größert werden und umgekehrt Die kritische Einin der Kupferschmelze gelösten Sauerstoff mit den in drucktiefe, bei der bestmögliche Konvektionsverhältder Kupferschmelze gelösten Verunreinigungen zur nisse in der Schmelze herrschen, ohne daß diese verReaktion und Überschuß-Sauerstoff aus der Schmelze spritzt, ist nicht nur für jedes Metall ein spezifischer herauszubringen. Wenn auf Grund besonderer Maß- ao Wert, sondern hängt wesentlich vom Typ der abnahmen die Einzelvorgänge schnell ablaufen, ist auch laufenden Reaktion ab. So wird für die Oxydation des der Gesamtvorgang der Entfernung von Begleit- Kupfers ein Wert von etwa 1,8 cm gemessen; bei der elementen aus flüssigem Kupfer schnell. Das oben Reduktion jedoch nur etwa 1.5 cm. Das Maß des zubeschriebene Reaktionssystem ermöglicht solche lässigen Verspritzens wird durch wirtschaftliche Fakschnellen Abläufe. Zum Beispiel beträgt die Stoff- as toren wie z. B. Mauerwerksverschleiß, Zusetzen von stromdichte des bei der Oxidation mit Luft in die Arbeitsöftnungen usw. begrenzt Geringes Verspritzen Schmelze gehenden Sauerstoff etwa 0,1 kg · m"² · s"¹. ist für die Durchführung des Verfahren ohne Bedeu-Ein fast gleich großer Wert wird bei der Reduktion rung. Besonders vorteilhaft für das Verfahren ist es, sauerstoffhaltigen Kupfers für die Stoffstromdichte wenn erfindungsgemäß die Strahlkraft und der Abdes aus dem Kupfer herausgehenden Sauerstoffs er- 30 stand der Düsenmündung von der Badoberfläche entreicht, wenn der Gasstrahl überwiegend aus Wasser- sprechend der durchzuführenden Reaktion (Oxydastoff und Kohlenmonoxid besteht tion oder Reduktion) so eingestellt werden, daß das

Die Strahlkraft, die durch eine Blaslanze erzielt Metallbad an der Blaseindruckstelle gerade nicht

wird, bestimmt den Wirkungsbereich eines Reaktions- spritzt.

systems. Je größer der Durchmesser der im Lanzen- 35 Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, kopf befindlichen Düse ist, bei sonst gleichen Aus- daß angepaßte Laval-Düsen verwendet werden, wobei Strömbedingungen, desto größer ist auch die Strahl- die Spritzgrenze des Metalls erst bei höheren Gaskraft und der Eindruckdurchmesser und damit die drücken erreicht wird und größere Gasmengen aufge-Abmessungen des Konvektionsfeldes der Schmelze. blasen werden. Die Verwendung einer Lavaldüse an

Zwar sind zur Erzeugung und Raffination u. a. von 40 Stelle einer einfachen konvergenten Düse hat beKupfer neuere Verfahren bekannt (deutsche Auslege- kanntlich den Vorteil, durch die störungsfreie Nachschrift 14 58 306, deutsche Auslegeschrift 12 94 022), expansion des Strahls höhere Austrittsgeschwindigbei denen aus schräg oder senkrecht angeordneten keiten und damit höhere Strahlkräfte unter sonst Lanzen auf das Schmelzbad aufgeblasen wird. Diese gleichen Bedingungen zu ermöglichen. In bezug auf Lanzen enthalten keine Düsen zur Beschleunigung 45 die vorliegende Erfindung hat die störungsfreie Nach- und Bündelung des Gasstrahles zum Zweck der Ein- expansion aus einer Lavaldüse den Vorteil, den stellung einer torusartig um den Strahleindruck rotie- Grenzwert der kritischen Strahlkraft heraufzusetzen, renden Schichtenströmung, so daß ungerichtete Tür- bzw. den Wert des kritischen Abstandes Düsenmünbulenzen und Verwirbelungen in der Schmelze ent- dung-Badoberfläche herabzusetzen,
stehen. Es handelt sich bei diesen Lanzen nur um so Die Sauei stoff aufnahme beispielsweise von flüs-Zuführungsrohre für Gase, Flüssigkeiten und Fest- sigem Kupfer mit Hilfe des vorerwähnten Reaktionsstoffe (deutsche Auslegeschrift 14 58 306). Zwar systems ist so schnell, daß der übliche Grenzwert von kann durch Anordnung mehrerer Lanzen eine Bewe- etwa 1 °/o nach etwa 4 Minuten erreicht ist, wenn mit gung der beiden Schmelzphasen, Schlacke und Metall, Luft aufgeblasen wird. Bei Verwendung von reinem zu verschiedenen Stellen des Ofens erreicht werden, 55 Sauerstoff sind dagegen nur 2 Minuten erforderlich, die erfindungsgemäß durch einen geschlossenen Strahl Die Oxidation der im Kupfer gelösten Verunreinimit hohen Geschwindigkeiten hervorgerufene, zentral gungen durch den im Kupfer gelösten Sauerstoff ist um den Blaseindruck angeordnete Schichtenströmung, zwar langsamer, wird aber durch höhere Sauerstoffdie zur Erzielung hoher Stoffübergangswerte wichtig gehalte im Kupfer beschleunigt. Wegen der erfinist, wird jedoch durch keines dieser bekannten Ver- 60 dungsgemäß großen Reaktionsgeschwindigkeiten ist fahren erreicht es insbesondere bei hohen Anforderungen an die

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vor- Reinheit des Raffinade-Kupfers in bezug auf beteilhaft, wenn mehrere Blaslanzen neben- und/oder stimmte Verunreinigungen auch möglich, den Sauerhintereinaader im Abstand von Blasstrahl zu Blas- stoffgehalt im Gegensatz zum üblichen Verfahrensstrahl etwa dem 2- bis 5fachen, vorzugsweise dem 65 ablauf schnell auf Werte über 1 */· ansteigen zu lassen. 3fachen des Blaseindruckdurchmessers angeordnet Da davon ausgegangen werden kann, daß die Rewerden. aktion des flüssigen Metallbades, beispielsweise Kup-

Bei den vorgenannten erfindungsgemäßen Werten fer, mit den Reaktionsgasen im wesentlichen im Be-

reich der Eindruckstelle erfolgt, die Fläche der Eindruckstelle aber bestimmbar ist, erhält man die Möglichkeit, mit Hilfe gemessener Stoffstromdichten des Reaktionssystems die Leistungsfähigkeit entsprechender kontinuierlich oder diskontinuierlich betriebener Reaktoren zu kalkulieren. An Hand eines solchen Beispiels soll die Erfindung näher erläutert werden.

Auf ein Metallbad aus flüssigem Kupfer wurde zur Abtrennung der gelösten Begleitmetalle Luft aufgeblasen, wobei die Strahlkraft und der Abstand Düsen- " mündung Badoberfläche so eingestellt war, daß ein Eindruck von 1,78 cm Tiefe entstand, ohne daß nennenswerte Spritzer auftraten. Hierdurch wurde eine Stoffstromdichte von 0,1 kg Sauerstoff pro m* Blaseindruckfläche "3d Sekunde in das Kupferbad hinein erzeugt. Die Leistung des Reaktors ist das Produkt aus diesem Wert und der spezifischen Reaktionsoberfläche in m*/m^s, die das Reaktionssystem zur Verfugung stellt. Es ist charakteristisch für die letztere Größe, daß sie mit zunehmendem Blaseindruckdurch- so messer kleiner wird. Deshalb dürfen die Abstände Düsenmündung Badoberfläche nicht zu groß, die Anzahl der Blaslanzen nicht zu klein gewählt werden. Für eine Produktion von 100 000 JaIo Raffinade-Kupfer entsprechend 3,85.10"* kg Sauerstoff pro s, wenn bis zu einem Gehalt von 1 % Sauerstoff oxidiert wird, sind z. B. 20 Blaslanzen mit Blaseindruckdurchmessern von je 0,157 m erforderlich.

Wenn die Produktion z.B. in 2kontinuierlich betriebenen Öfen mit 2 Reihen zu je 5 Lanzen durchgeführt wird, beträgt wegen der voranstellenden geometrischen Beschreibung des Reaktionssystems die Ofenbreite 0,157 m · 3 · 5 = 2,36 m und die Badtiefe 0,157 m · 1,5 = 0,236 m- Für die nachgeordnete Reduktion gut entsprechendes. Die übrigen Abmessungen des Ofens richten sich jeweOs nach den Üblichen wärmetechnischen und metallurgischen Bedingungen für die Verarbeitung des entsprechenden Metolles Im Falle eines kontinuierlich betriebenen Ofens kann es zweckmäßig sein, die Blaslanzen in Durcfilaufrichtung der Schmelze so weit zu neigen, daß der Durchfluß des Metalles unterstützt wird, ohne daß die Tiefenwirkung der torusartig um den Blaseindruck rotierenden Schmelze hierdurch beeinträchtigt wird.

Claims

führen der Reaktionsgase direkt in das Metallbad Patentanspiüche: durch Erstarren von Metall im Bereich der Düsen-

1. Verfahren zur Abtrennung von in einem mündungen die dem Metallbad zugekehrte oder einaüssigen Bad eines Nichteisenmetalls, insbeson- getauchte Düsenmundungen im Laufe der Zeit zudere in Kupfer gelösten Begleitelementen durch 5 setzen, so daß eine genaue Kontrolle der Behandderen Reaktion zu jeweils im flüssigen Metall lungsdaucr wesentlich erschwert wird
unlöslichen Verbindungen durch in etwa senk- Die Methode, Reaküonsgase nicht von unten oder rechtes Aufblasen von Reaktionsgasen über von der Seite in das Metallbad einzublasen, sondern wenigstens einen durch eine Düse gebündelten von oben aufzublasen, ist seit langem ^- -auchlich. Gasstrahl auf die Lm wesentlichen blanke Bad- io Insbesondere ist diese Methode zur He Jung von oberfläche, dadurch gekennzeichnet, Stahl bekanntgeworden. Durch Verwendung von in daß die Reaktionsgase mit so großer Strahlkraft Blaslanzen eingebauten Düsen erhalt das Gas eine aufgeblasen werden daß die um den im Stau- so hohe Austrittsgeschwindigkeit, daß es im geschlospunkt des Strahls befindlichen Blaseindruck im senen Strahl in das Bad eindringt, wodurch ein wesentlichen torusartig rotierende Schichtenströ- 15 MetaU-Schlacke-Gas-Schaum entsteht m dem die gemung der Schmelze zusammen mit dem Gasstrahl wünschten Reaktioinen mit großer Geschwindigkeit eine durch die konvektiven Verhältnissie des ablaufen können (I)T-AS 1122090). Em derartiges Svstems begrenzte Reaktionseinheit mit defini- Verfahren ist für die Abtrennung von Begleitelemenniirtem Stoffubergang ergibt, deren Abmessungen ten aus NE-Metallen, insbesondere aus Kupfer nicht invBereich de." Schmelzbades senkrecht zur Strahl- ao anwendbar.

richtung etwa 2 bis 5, vorzugsweise 3 Blasein- Die Erfindung hat das Ziel, unter Vermeidung der

dnickdurchnv sser und die Badtiefe etwa die Nachteile bekannter Verfahren, insbesondere die

HiSfte des ichmelzba iiurchmessers, Vorzugs- Blaszeiten bei der Abtrennung von Beglsitelementen

-»eise l,ÜBla.veindruckd ti et messer betragen. aus flüssigem Kupfer zu verkürzen, daneben aber

2. Verfahren nach jLispruch 1, dadurch ge- as auch reproduzierbare Stoffübergangsverhältnisse und kennzeichnet, daß mehl ere Blaslanzen neben- damit die Voraussetzung für eine kontinuierliche und/oder hintereinande · im Abstand von Blas- Verfahrensweise zu schaffen.